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Perfectionnements apportés aux turbnes à gaz.
La présente invention est relative à des turbines à gaz et à combustion interne.
Elle a pour but, surtout, de rendre ces machines telles que leur encombrement soit moindre pour un rendement donné ou que leur rendement soit plus élevé pour des dimensions données comparativement à ce qui a été possible jusqu'ici en diminuant en concordance le prix de revient spécifique et le poids de ces machines motrices.
L'expression "turbine à gaz" comprend toute installation à combustion et fonctionnant sous pression, par exemple pour la production de vapeur, et qui comporte un ensemble compresseur-turbine, de la manière connue.
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Un autre but de l'invention est de ren- dre possible l'usage d'un combustible qui est humi- de en ce sens qu'il contient ou est mélangé de toute autre manière alune quantité d'eau correspondant au moins à son propre poids mais qui peut contenir à l'état brut ou après un traitement préliminaire un poids d'eau allant jusqu'à dix ou davantage de fois son propre poids, le rapport maximum dépendant de la valeur calorifique du combustible et du degré jusqu'au- quel la déshydratation préliminaire peut être obtenue aisément.
Un tel combustible peut être constitué, par exemple, par de la basasse, des eaux d'égouts, des schlamms, des eaux résiduaires des traitements de pâ- te à papier au sulfite ou des immondices. Un autre combustible de ce genre est la tourbe, qui est dispo- nible en abondance et de qualité excellente mais qui a une teneur très élevée en eau constituée en grande partie par de l'eau virtuellement colloïdale mais pour laquelle les méthodes connues de séchage sont très cou- teuses.
L'invention se réfère tout particuliè- rement à l'usage de la tourbe et permet de se servir directement de cette matière à l'état brut comme un combustible pour une turbine à gaz et à combustion in- terne, ge combustible ne subissant qu'une déshydration préliminaire jusqu'à un degré limité.
Un autre but de l'invention est de réa- liser un alternateur à turbine à gaz, qui est autonome et essentiellement mobile en consommant, à leur sour- ce, des combustibles qui ne sont pas aisément trans- portables vers des stations productrices d'énergie,
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permanentes et fixes, cet alternateur fournissant de l'électricité à une sous-station d'un réseau, établie au voisinage. Pour une application particu- lière,l'invention permet d'obtenir une telle ins- tallation autonome et essentiellement mobile, qui peut extraire et consommer de la tourbe à l'endroit où se trouve la tourbière ou la cendrière.
Il a été proposé d'introduire de l'eau dans des installations à turbine à gaz pour diver- ses raisons, par exemple pour refroidir des compres- seurs,les chambres de combustion, pour régler la charga, pour décarboniser, pour des suralimentations temporaires et pour aider à l'entrainement de la turbine. Jusqu'ici on n'a toutefois pas compris qu'il est particulièrement avantageux d'augmenter le degré de la teneur en eau à la valeur maximum qui convienne à la température maximum choisie à l'entrée de la turbine et à la quantité minimum d'air néces- saire à l'obtention d'une combustion raisonnablement complète.
L'introduction de l'eau, dans ces condi- tions, est désignée ci-eprès par "injection d'eau maximum" et par combustion raisonnablement complète on entend un degré de combustion qui est assez voisin de 100% pour être économiquement satisfaisant en te- nant compte du coût relatif du combustible et de la turbine à gaz. En pratique, ce degré se trouve nor- malement entre 90 et 100% de la combustion complète.
L'invention s'applique également au cas spécial où un degré de combustion sensiblement plus bas peut être approprié si les gaz d'échappement sont ensuite brû- lés avec de l'air additionnel pour certaines raisons
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spéciales. On peut montrer que pour une installation avec turbine à gaz qui utilise une.injection d'eau maximum l'encombrement total et, par conséquent, le coût spécifique et le poids de l'installation peu- vent être réduits à environ un tiers- pour un rende- ment donné ou qu'au contraire pour des dimensions données le rendement peut être augmenté d'environ trois fois comparativement à un cycle sec normal et correspondant.
Par conséquent, sous un aspect, l'in- vention consiste à introduire de l'eau dans une ins- tallation avec turbine à gaz et à combustion inter- ne jusqu'à la valeur maximum ce qui réduit l'admis- sion d'air au minimum nécessaire pour obtenir une combustion raisonnablement complète, la vapeur d'eau obtenue étant détendue, en même temps que le produit de combustion et l'air en excès, dans la turbine.
Cette quantité d'air admis peut être au dessus et, le cas échéant, même en dessous de la proportion stochiométrique théorique mais on considère q'un cas avantageux est celui pour lequel la quantité d'air est de 20 à 30% au dessus de la valeur stochiométri- que.
Un autre avantage obtenu par l'injection d'eau maximum dans une installation, du genre en question, est que la perte de rendement thermique qui résulte d'une réduction donnée de la températu- re à l'entrée de la turbine est bien moindre que dans le cas d'un cycle sec, normal et correspondante et que des rendements utiles sont encore possibles à des températures relativement très faibles à l'en- trée de la turbine. Alternativement et quand on re-
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cherche le rendement thermique le plus élevé, en adoptant un taux de pressions qui s'approche de l'optimum (en termes de rendement thermique), le cycle d'injection d'eau maximum peut procurer un rendement notablement supérieur à celui d'un cycle sec optimum.
Un autre avantage est que le rendement total d'une installation avec turbine à gaz, fonc- tionnant avec une injection d'eau maximum, est moins sensible aux variations de l'efficacité des consti- tuants individuels qu'une installation fonctionnant suivant un cycle sec normal.
Comme la condensation de la vapeur d'é- chappement, mâangée aux produits de combustion, serait généralement d'une complication prohibitive, l'injec- tion d'eau maximum se substitue à l'introduction de très grandes quantités d'eau, c'est à dire de l'ordre de celles consommées par les tours de réfrigération des installations avec turbines à vapeur. Alors qu'on dispose généralement d'une quantité d'eau suffisante pour des charges en pointe et des applications auxi- liaires, des fonctionnements avec charges normales importantes seront seulement possibles en certains endroits si le combustible lui-même fournit l'eau né- cessaire.
Comme ces combustibles humides sont généra- lement relativement économiques ou sont même, dans certains cas, sans aucune valeur à l'état brut, pour la raison que les frais pour les sécher suffisamment pour qu'ils puissent convenir à une combustion or- dinaire et/ou que les frais de transport sont eleves depuis leur origine jusqu'à l'endroit d'utilisation, l'invention
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sous un autre aspect combine la conception sus- indiquée d'une injection d'eau maximum avec l'usage proposé d'un combustible humide dont la teneur par- tielle ou totale en eau est introduite dans le cycle de la turbine à gaz en même temps que/Le combustible.
Sous cet aspect, l'invention consiste, donc, en une installation avec turbine à gaz et dans laquelle du combustible humide est consommé et dont la teneur totale ou partielle en eau est introduite dans le cy- cle de la turbine à gaz. Pour une telle installation l'avantage de l'intervention d'une injection d'eau maximum peut être obtenu aisément. Suivant la teneur en eau du combustible brut, il sera généralement né- cessaire d'enlever une partie de la teneur en eau du combustible avant son injection ou d'y ajouter une certaine quantité d'eau provenant d'une autre source afin d'obtenir le rapport eau-combustible qui con- vient à l'injection d'eau maximum. Dans certains cas on peut être amené à accepter un rapport quelque peu inférieur qui ne diminue pas fortement les effets avantageux de l'injection d'eau maximum.
Sous cet aspect de l'invention, l'usage de la tourbe, comme combustible, présente des avanta- ges spéciaux. La tourbe se trouve en abondance à la surface du globe dans un grand nombre de zones tem- pérées septentrionales et constitue un combustible excellent excepté qu'il contient toujours au moins dix fois son propre poids d'eau dont la plus grande partie est liée à la tourbe à l'état virtuellement col- loïdal et qui peut être séparée seulement par évapo- ration (bien qu'une certaine partie d'eau puisse être
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enlevée par drainage ou par .pression mécanique, plus spécialement dans le cas de tourbes moins bien humidifiées).
En pratique, la seule méthode économique pour évaporer la teneur en eau de la tourbe, sur une grande échelle, a été jusqu'ici le séchage à . air libre, un procédé qui est extrême- ment compliqué et coûteux, qui est à la merci des conditions atmosphériques et qui dépend, inévitable- ment et fortementdes saisons dans les régions où la tourbe est extraite. Un but de l'invention est de permettre l'usage de la tourbe comme un combustible pour une turbine à gaz et à combustion interne sans que l'on doive avoir recours à de tels procédés de séchage. En même temps, on profite de la teneur en eau de la turbine pour réaliser les effets avanta- geux obtenus par l'injection d'eau maximum sans que l'on ait à prévoir des dépenses supplémentaires pour la fourniture de l'eau.
Par conséquent, sous cet as- pect, l'invention consiste en une installation avec turbine à gaz et à combustion interne pour laquelle on se sert de tourbe comme combustible, la teneur en eau de cette turbine étant utilisée,totalement ou en partie, pour l'injection d'eau maximum dans le cycle de la turbine à gaz.
Pour ces installations à turbines à gaz de et dans lesquelles on brûle/la tourbe, la tourbe brute introduite peut d'abord être soumise à un traitement de pression préliminaire pour en enlever la plus gran- de partie de la teneur en eau, liée mécaniquement, à l'aide d'une presse appropriée et qui peut, par exem- ple, être constituée par une centrifuge ou par une presse avec filtre à tambour.
On peut également avoir
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recours, en même temps ou en supplément, à un trans- porteur à vis d'Archimède dont on se sert pour in- troduire la tourbe dans une chambre de combustion, soit directement, soit après un préséchage à l'aide des gaz d'échappement. On peut également avoir recours à un procédé d'extraction de la tourbe par lequel on obtient le séchage préliminaire, jusqu'au degré né- cessaire, par drainage ou par évaporation naturelle.
Dans le cas usuel où l'on prévoit une température relativement élevée à l'entrée de la tur- bine et dans tous les cas où l'on se sert de tourbes bien humides (pour lesquelles l'humidité ne peut pas être aisément diminuée par pression jusqu'au degré suffisant pour qu'elles conviennent à une injection d'eau maximum pour une température choisie à l'entrée de la turbine), la plus grande partie de la chaleur sensible (au dessus de 100 ) des gaz d'échappement peut servir au séchage de la tourbe par mélange di- rect et par évaporation spontanée. Ensuite la tourbe estséparée d'avec le gaz d'échappement dans un cy- clone approprié ou tout autre appareil séparateur, a- vant que la-tourbe, partiellement séchée, soit intro- duite dans la chambre de combustion.
De plus ou en variante, une partie de la chaleur sensible du gaz d'échappement peut être trans- férée, par un échange de chaleur indirect, à l'air à pression élevée avant que cet air ne pénètre dans le brûleur, au combustible humide après qu'il a été sou- mis à la pression déshydratante mais avant que son hu- midité ait été évaporée et/ou aux vapeurs, obtenues par
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évaporation, avant que ces vapeurs soient mélangées aux produits de combustion restants.
En plus de ce pré-séchage partiel à l'aide de la chaleur sensible (au dessus de 100 ) des gaz d'échappement, on peut, suivant une autre caractéristique de l'invention, se servir d'une par- tie de la chaleur latente de ces gaz pour préchauffer la tourbe brute. A cet effet on peut mettre les gaz d'échappement, après leur passage à travers l'échan- geur de chaleur et/ou réchauffeur (avec séparation subséquente d'avec la tourbe préchauffée), en contact avec la tourbe brute et fraiche ce qui provoque la condensation d'une partie de leur teneur en vapeur d'eau celle-ci cédant ainsi sa chaleur latente.
Ce procédé permet également d'élever le rapport eau/tour- be à une valeur correspondant à l'injection d'eau maximum (ce qui réduit davantage l'encombrement total de l'installation avec turbine à gaz) et d'améliorer le rendement thermique du cyde. Ce contact entre le gaz et la tourbe peut, par exemple, être obtenu en di- rigeant les gaz d'échappement sur la tourbe brute pendant qu'elle est transférée au pré-chauffeur ou à l'appareil de combustion.
Quand la tourbe humide est refoulée dans le dispositif de combustion pa.r une pompe à re- foulement appropriée, elle doit être finement subdi- visée et véhiculée par de l'air qui aide à la combus- tion.
Un broyeur à marteaux, d'un type appro- prié, peut être utilisé à cet effet et il sert égale- ment à casser les particules ligneuses et fibreuses contenues dans la tourbe.
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Pour faciliter la combustion de la tour- be humide, la plus grande partie de sa teneur en hu- midité peut être évaporée en la mélangeant avec des produits de combustion, remis en circulation, avant son introduction dans le broyeur à marteaux.
Suivant une variante de l'invention, on peut injecter la tourbe humide dans le compresseur après l'avoir soigneusement pulvérisée ou atomisée et entrainée par l'air avant qu'elle n'entre dans la chambre de combustion ce qui provoque, en même temps un refroidissement interne du compresseur par l'éva- poration d'une partie de l'eau contenue dans la tour- be.
La chambre de combustion, dans laquelle la tourbe est brûlée, est de préférence agencée dé manière qu'elle forme un trajet aussi long que pos- sible avant que la turbine ne soit atteinte afin que l'on soit certain que la tourbe dispose d'un temps suffisant pour brûler après que l'eau, qu'elle conte- nait encore, a pu se transformer en vapeur. Une for- me appropriée, pour la chambre de combustion, peut être celle pour laquelle la tourbe se déplace suivant un tourbillon dans une chambre annulaire ayant une sortie axiale en effectuant ainsi un nombre relative- ment grand de tours complets autour de l'axe de la chambre pendant qu'elle se dirige vers la sortie a- xiale par laquelle les produits de la combustion et l'humidité évaporée pénètrent dans la turbine.
Sui- vant une autre variante, une partie ou la totalité de la tourbe humide peut être préchauffée dans une par- tie de la chambre de combustion et la tourbe sèche,
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ainsi obtenue, pouvant être séparée, partiellement ou totalement, d'avec cette tourbe sèche avant la combus- tion de celle-ci. La vapeur d'eau séparée rejoint les produits de la combustion avant qu'ils n'entrent dans la turbine.
La tourbe a comme propriété caractéris- tique que les cendres, résultant de sa combustion, ont normalement un point de fusion élevé et des propriétés abrasives réduites. Pour ces raisons on peut, dans certains cas, faire passer les cendres dans la turbine sans qu'elles risquent d'abimer les aubes ou de se dé- poser sur celles-ci. Par contre,,, dans d'autres cas, par exemple quand la tourbe est salie avec du sable, il est nécessaire de séparer les constituants grossiers des cendrés,volantes d'avec le gaz avaht qu'il n'entre dans la turbine, à l'aide d'un procédé de séparation bien connu, par exemple un cyclone.
De plus, le faible- excès d'air, qui se trouve dans un cycle d'injection d'eau maximum, empêche toute tendance à la formation d'anhydride sulfurique qui pourrait être la cause d'un dépôt de cendres ou de la corrosion des aubes de la turbine. Il est à noter-également qu'avec un cycle à turbine à gaz, fonctionnant avec une injection d'eau maximum, les rendements raisonnables, qui sont possi- bles quand on travaille avec une température relative- ment basse à l'entrée de la turbine, signifient que toute tendance à la formation de croutes ou incrusta- tions dans le brûleur ou sur les aubes peut être évi- tée, le caractère anormalement réactif de la tourbe ne nécessitant pas l'intervention de températures de combustion qui soient fortement en excès sur la tempé- rature à l'entrée de la turbine .
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Les dessins ci-annexés montrent, à ti- tre d'exemple, deux modes de réalisation de l'inven- tion.
La fig. 1 montre, schématiquement, une installation comprenant un alternateur entrainé par une turbine à gaz. Cette installation comprend un compresseur centrifuge 1 monté sur le même arbre 2 qu'une turbine axiale 3 qui est reliée, en série, à une turbine motrice 4 entrainant un alternateur 5.
L'air, débité par le compresseur 1, traverse un échan- geur de chaleur 6 et un appareil de séchage 7 relié à un broyeur à marteaux 8. Dans celui-ci la tourbe et les particules de bois ou de fibres sont pulvéri- sées et la tourbe est refoulée, par un passage 9, dans une chambre de combustion 10, à cyclone. Les particu- les grossières de la tourbe sont séparées par un ta- mis 11 et ramenées, par le passage 12, au sécheur 7.
Les produits de la combustion sortent en 13 hors de la. chambre 10 et pénètrent dans un sé- parateur de cendres 14, les cend.res volantes s'é- coulant par le conduit 15. Une/partie de ces produits, ayant traversé le séparateur 14, est ramenée, par le conduit 16, au sécheur 7 par l'effet de l'aspiration ou de suce - ion exercé par le broyeur 8 alors que la partie restante s'écoule, par le conduit 17, vers les turbines 3 et 4.
La tourbe brute ou fraiche est extraite hors de la carrière 18, par un excavateur-classeur approprié ou analogue (non montré) et est amenée, par le conduit 19 à une presse 20 dans laquelle sa teneur en eau est réduite. Elle traverse ensuite une chambre
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de pré-séchage 21, un séparateur de tourbe 22, une pompe à tourbe 23 et le sécheur 7.
Les gaz d'échappement chauds, sortant de la turbine 3, passent dans l'échangeur de chaleur 6 et de là dans la chambre de pré-séchage 21, le sé- parateur 22 et la chambre 24 pour chauffer préalable- ment la tourbe fraiche en cédant une partie de leur chaleur latente, pendant l'extraction de la tourbe et/ou son transfert à ladite presse.
L'eau, ui subsiste dans la tourbe quand elle pénètre dans le dispositif de combustion, est évaporée dans ce dispositif au cours de la combustion et la vapeur obtenue traverse, en se détendant, la turbine 4 en même temps que les gaz de combustion, l'air en excès et les cendres, dans des conditions d'une injection d'eau maximum.
Des moyens peuvent être prévus pour fai- re démarrer la turbine à gaz avec un combustible au- xiliaire tel que du kérosène ou pétrole lampant. Des moyens sont également prévus pour régler le rendement et la température d'entrée en ré-injectant une quan- tité réduite d'eau dans le cycle en amont de l'entrée de la turbine 4 et en réglant automatiquement la vi- tesse à laquelle la tourbe brute est introduite dans l'installation.
Sur la fig. 2, après que les produits de combustion ont quitté la chambre de combustion 10 et ont traversé le séparateur de cendres 14, une par- tie de ces produits est ramenée par le conduit 16 alors que la partie restante s'écoule par le conduit 17 vers la turbine. La tourbe est débitée par la pompe 23
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dans un séchoir 25, un broyeur à marteaux 8 et un sé- parateur 26 et la tourbe ainsi que certains des pro- dutis gazeux, sortant de l'appareil 26, pénètrent dans la chambre de combustion 10 alors que la plus grande partie des produits gazeux contournent cette chambre en by-pass et sont mélangés aux produits de combustion dans le conduit 13.
Les combustibles, dits de mauvaise qua- lité, sont souvent caractérisés non seulement par leur teneur élevée en eau mais également par les frais con- sidérables pour leur transport depuis la source jus- qu'aux points de consommation existants, à cause de leur poids et/ou de leur encombrement par rapport à leur pouvoir calorifique ou à cause de la distance con- sidérable où se trouvent leurs lieux d'origine ainsi que des endroits dispersés où l'on trouve les tourbes.
L'objet de l'invention permet d'écarter ces inconvénients d'une manière économique en ce sens qu'il permet de réaliser un groupe turbine à gaz- alternateur qui est autonome et essentiellement mobile et dans lequel on introduit un combustible à ou à proximité de l'endroit où il se trouve ou est extrait, le générateur de courant étant relié par une ligne de @ transmission à une sous-station voisine d'un réseau électrique.
Bien que l'on ne soit pas nécessairement limité à l'usage de combustibles dits de qualité infé- rieure, l'installation motrice et mobile peut être décrite plus particulièrement dans le cas où l'on fait usage d'une tourbe pour laquelle elle convient tout particulièrement par suite du poids et de l'en- combrement considérables de la tourbe brute, d'une part,
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et des endroits éloignés et dispersés où celle-ci est trouvée, d'autre part. Le transport de la tour- be à une installation motrice fixe est coûteux et difficile même si on la sèche préalablement à l'air et ces frais empêchent l'exploitation d'un grand nombre de tourbières excellentes qui sont trop peti- tes et/ou trop éloignées de cette installation fixe.
Avec un nombre approprié de petits groupes mobiles et dont chacun a par exemple une puissance allant jus- qu'à cinq mega-watts, on peut exploiter complètement une grande zone à plusieurs tourbières dispersées, le transport ainsi que le séchage de la tourbe étant ren- dus superflus et la production essentiellement conti- nue d'un courant électrique pour charge normale étant rendue possible sans avoir recours à un cycle de sto- ckage saisonnier qui est actuellement indispensable pour la production de l'électricité à partir de la tourbe.
Quand on a recours à la variant dé- crite plus haut suivant laquelle la tourbe est extrai- te et est séchée préalablement par drainage et éva- poration naturelle, on doit conserver le stockage sus- dit.
Un groupe mobile avec alternateur et turbine à gaz, tel que décrit, peut comporter une turbine à gaz, du genre décrit susdit, ce groupe étant monté au complet et avec l'alternateur sur un trac- teur à chenilles ou autre châssis mobile auquel est attelée une machine d'extraction et de classemnt, qui extrait la tourbe brute et la fournit au dispositif avec toxine à gaz. A cause du poids spécifiquement bas des turbines à gaz comparativement à celui des au-
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tres machines motrices, plus spécialement dans le présent cas où l'on a recours à une injection d'eau maximum, un tel groupe mobile peut avoir une puis- sance considérable sans devenir difficile à manoeu- vrer.
Par exemple, on estime que le poids total d'un groupe autonome, ayant une puissance de cinq mega- watts, peut être de l'ordre de 50 tonnes ce qui, du point de vue de la manipulation, ne présente aucune difficulté.
Plusieurs de ces groupes, utilisés en combinaison, constituent donc un moyen très appro- prié et économique pour se servir de la tourbe comme combustible pour produire da l'énergie électrique.-
REVENDICATIONS
1. - Uns installation avec turbine à gaz à combustion interne dans laquelle on introduit de l'eau en une quantité correspondant à une injec- tion d'eau maximum.
2. - Une installation avec turbine à gaz à combustion interne qui consomme du combustible humide dont la teneur en eau est introduite, en to- talité ou en partie, dans le cycle de la turbine à gaz.